О ЦКП | Станции СИ | Пользователям | Смены СИ | Публикации | Конференции | Разработки ЦКП | Контакты

 

Сверхпроводящие устройства для генерации СИ

1. ВВЕДЕНИЕ

Спектральные характеристики (характеристическая энергия eс) синхротронного излучения из магнита определяются двумя параметрами: eс~E2B, где E - энергией электронов, B - магнитное поле, из которого происходит излучение.

Следовательно, есть два пути как сделать спектр более жёстким:

  1. Увеличить энергию E. Этот путь увеличения жёсткости имеет много преимуществ (eс~E2), но требует больших материальных и людских ресурсов.
  2. Увеличить магнитное поле B в точке излучения. Этот путь является достаточно дешёвым и относительно простым при использовании вставных устройств (Insertion Devices) типа шифтера (Shifter) или вигглера (Wiggler) с использованием сверхпроводящих материалов или же замены "обычного" поворотного магнита на сверхпроводящий магнит с высоким уровнем поля.

2. РАЗВИТИЕ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ ГЕНЕРАТОРОВ СИ в ИЯФ СО РАН

Наш Институт интенсивно и давно занимается изготовлением различных сверхпроводящих магнитов для генерации СИ. Так, первый в мире многополюсный вигглер с полем 3.5 Т был изготовлен в ИЯФ СО РАН еще в 1979 (Рис. 1 и Рис. 2).

Затем было изготовлено целое семейство разнообразных сверхпроводящих магнитов. В частности можно отметить 5 шифтеров с полем от 7 Т до 10 Т, в 2004 - поворотный магнит (9Т), в 2005 - 5 соленоидов с полем 13 Т для накопителя ВЭПП-2000. В последнее время основной упор делается на многополюсные вигглеры (SCW), которые становятся все более востребованными на источниках СИ во все мире, в том числе, и благодаря нашим разработкам. Весь спектр сверхпроводящих устройств, изготовленных в ИЯФ СО РАН для генерации СИ, представлен ниже:

  • 1979 - первый в мире сверхпроводящий 20-полюсный вигглер с полем 3.5 Т для ВЭПП-3
  • 1984 - 5 - полюсный 8Т сверхпроводящий вигглер для ВЭПП-2
  • 1985 - 4.5 T сверхпроводящий Wave Length Shifter (WLS) для Сибирь-1, Москва
  • 1992 - 6 T SuperBend - прототип для компактного накопителя
  • 1996 - 7.5 T сверхпроводящий шифтер (WLS) для PLS, Ю.Корея
  • 1997 - 7.5 T шифтер с фиксированной точкой излучения для CAMD-LSU (США)
  • 2000 - 10 T шифтер для источника медленных позитронов Spring-8,Япония
  • 2000 - 7 Т шифтер с фиксированной точкой излучения для BESSY-2, Германия
  • 2001 - 7 Т шифтер с фиксированной точкой излучения для BESSY-2, Германия
  • 2002 - 3.5 T 49-полюсный сверхпроводящий вигглер (SCW)для ELETTRA, Италия
  • 2002 - 7 T 17 - полюсный SCW для BESSY-2, Германия
  • 2004 - 9T сверхпроводящий поворотный магнит (SuperBend) для BESSY-2, Германия
  • 2005 - 13 T сверхпроводящие соленоиды для ВЭПП-2000
  • 2005 - 2 T 63-полюсный SCW для CLS, Канада
  • 2006 - 3.5 T 49- полюсный SCW для DLS, Англия
  • 2006 - 7.5 T 21 - pole SCW для Сибирь-2, Москва
  • 2007 - 4 T 27- полюсный SCW для CLS, Канада
  • 2008 - 4 T 49-полюсный SCW для DLS, Англия
  • 2009 - 4 T 35 - полюсный SCW для LNLS, Бразилия
  • 2010 - 2.1 T 117 - полюсный SCW дляr ALBA, Испания
Основные характеристики генераторов СИ, произведенных в ИЯФ СО РАН, приведены в отдельной таблице.

3. СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ ШИФТЕРЫ

В сверхпроводящих шифтерах источником излучения служит центральный полюс с высоким уровнем поля. А два боковых полюса используются для "зануления" интеграла поля, чтобы не искажать орбиту в накопителе (Рис. 3).

Были изготовлены два таких шифтера с полем 7.5Т (PLS, Корея 1993) и 10.3 Т (Spring-8, Япония, 2000). Однако, в Японии первоначально предполагалось использовать этот шифтер в качестве генератора медленных позитронов, а не для СИ.

У такой стандартной схемы включения шифтеров имеются несколько недостатков:
1) По сравнению с поворотным магнитом имеет две точки излучения - из центрального полюса и из бокового полюса. Для подавления второго источника поля в боковых источниках делают в несколько раз меньше центрального, но этого не всегда достаточно.
2) Смещение точки излучения от оси шифтера (т. е., траектория электронного пучка зависит от уровня поля).

На Рис. 4 представлены стандартные шифтеры для для накопителей PLS и Spring-8.

Более подробная информация о 10 Тл вигглере для накопителя Spring-8 представлена на Рис. 5, Рис. 6, Рис. 7 и Рис. 8.

Для устранения такого недостатка стандартного шифтера, как смешение точки излучения нами была предложена и реализована схема включения шифтеров с фиксированной точкой излучения (Рис. 9). В этом случае использование двух теплых корректоров с малым полем позволяет всегда держать точку излучения точно в центре промежутка. По такой схеме были сделаны три 7 Тл шифтера. Один - для LSU-CAMD (США, 1997) (Рис. 10) и два для BESSY (Германия) в 1998 и 1999. На Рис. 11 представлена таблица, обобщающая все сверхпроводящие шифтеры, изготовленные в ИЯФ СО РАН.

4. СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ МНОГОПОЛЮСНЫЕ ВИГГЛЕРЫ И ОНДУЛЯТОРЫ

Особое место в линейке вигглеров занимают многополюсные вигглеры (Рис. 12), в которых плотность потока фотонов увеличена в N раз по сравнению с шифтерами, где N - количество полюсов. Ондуляторы принципиально не отличаются от вигглеров. Условно их можно разделить друг от друга параметром ондуляторности K.

Все многополюсные сверхпроводящие вигглеры, изготовленные в ИЯФ представлены на Рис. 13, а их основные характеристики перечислены в таблице на Рис. 14.

Условно эти устройства можно разделить на несколько групп:
1. Сильнополевые сверхпроводящие многополюсные вигглеры (поле более 7 Тл)
2. Сверхпроводящие многополюсные вигглеры с полем 3-4 Тл
3. Сверхпроводящие многополюсные вигглеры с периодом до 3 см

4.1 СИЛЬНОПОЛЕВЫЕ СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ МНОГОПОЛЮСНЫЕ ВИГГЛЕРЫ (ПОЛЕ БОЛЕЕ 7 ТЛ)

Сильнополевые вигглеры с полем более 7 Т, например, вигглер для BESSY-HMI (Рис. 15), используются для увеличения потока и жесткости квантов в экспериментах по малоугловому рассеянию, дифракции, стресс анализу на нескольких экспериментальных станциях.

Еще один пример сильнополевого вигглера - это вигглер для накопителя Сибирь-2 (Рис. 16 и Рис. 17). Особенностью его является большая запасенная энергии поля и, следовательно, проблема защиты обмоток при срыве сверхпроводимости. Так же высокая мощность излучения (100 квт) требует повышенного внимания при трассировке электронного пучка в накопителе, так как существует реальная опасность повредить вакуумную камеру накопителя.

4.2 СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ МНОГОПОЛЮСНЫЕ ВИГГЛЕРЫ С ПОЛЕМ 3-4 ТЛ

Рис. 18

Рис. 19

Рис. 20

Рис. 21

Рис. 22

Рис. 23

4.3 СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ МНОГОПОЛЮСНЫЕ ВИГГЛЕРЫ С ПЕРИОДОМ ОКОЛО 3 СМ

Особенность этих вигглеров состоит в том, что по магнитной структуре они уже приближаются к ондуляторам (Рис. 24 и Рис. 25). Это проявляется в изрезанности спектра синхротронного излучения в мягкой области. В некоторых случаях это мешает проведению экспериментов. Поэтому, например, в вигглере с полем 2 Т для CLS (Канада) пришлось восстанавливать плавность спектра преднамеренно нарушив периодичность полюсов (Рис. 26).

В начале 2010 был изготовлен и испытан 119 полюсный 2 Тл вигглер для накопителя ALBA (Испания) (Рис. 27).

5. ПУБЛИКАЦИИ

Публикации с полными тексами статей:

  • Fedurin M., Kulipanov G., Mezentsev N., Shkaruba V. Superconducting high-field three-pole wigglers in Budker INP. NIM A 448 (2000), p.51-58. Paper text in PDF.
  • А.М.Батраков, Е.А.Бехтенев, В.М.Боровиков, В.К.Журба, М.Г.Федурин, В.В. Репков, Г.В.Карпов, С.В.Хрущев, Г.Н.Кулипанов, М.В.Кузин, В.К.Лев, Н.А.Мезенцев, В.А.Шкаруба Сверхпроводящие сильнополевые вигглеры и шифтеры в ИЯФ СО РАН. Вопросы атомной науки и техники. Серия ядерно-физические исследования (38), (Материалы 17 международного семинара по ускорителям заряженных частиц, Алушта, 2001), 2001, N3, с. 59-61. Paper text in PDF.
  • S.V. Khruschev, V. Lev, N.Mezentsev, E. Miginsky, V. Repkov, V. Shkaruba, V. Syrovatin, V. Tsukanov, 3.5 Tesla 49-pole superconducting wiggler for DLS . Proc.of RuPAC XX, Novosibirsk -2006. Paper text in PDF.
  • E.Bekhtenev, S.Khrushchev, N.Mezentsev, E.Miginsky, V.Shkaruba, V.Tsukanov, The main test results of the 3.5 Tesla 49-pole superconducting wiggler for DLS. Proc.of RuPAC XX, Novosibirsk -2006. Paper text in PDF.
  • S.V. Khruschev, E.A. Kuper, V.H. Lev, N.A. Mezentsev, E.G. Miginsky, V.V. Repkov, V.A. Shkaruba, V.M. Syrovatin, V.M. Tsukanov, Superconducting 63-pole 2T wiggler for Canadian Light Source. NIM A575 (2007), p. 38-41. Paper text in PDF.
  • A.Valentinov, V.Korchuganov, M.Kovalchuk, Yu.Krylov, V.Kvardakov, D.Odintsov, Yu.Yupinov,S.Khrushev, N.Mezentsev, E.Miginsky, V.Shkaruba, V.Tsukanov, First results of SIBERIA-2 storage ring operation with 7.5 T superconducting wiggler. Proceedings of RuPAC 2008, Zvenigorod, Russia, p.185 – 187. Paper text in PDF.
  • S.V. Khruschev, V.H. Lev, N.A. Mezentsev, E.G. Miginsky, V.A. Shkaruba, V.M. Syrovatin, V.M. Tsukanov, 27-Pole 4.2 T wiggler for biomedical imaging and therapy beamline at the Canadian light source. NIM A603 (2009), p. 7-9. Paper text in PDF.

Весь список публикаций можно посмотреть в отдельном файле по данной ссылке.

6. КОНТАКТНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

д.ф.-м.н. Мезенцев Николай Александрович,
тел: +7 (383) 329-41-55, факс +7 (383) 330-71-63

 

О ЦКП | Станции СИ | Пользователям | Смены СИ | Публикации | Конференции | Разработки ЦКП | Контакты
© СЦСТИ, 1996 - 2010.
Your comments are welcome!